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采暖设计中几个问题的探讨

发表时间：2021/6/10 来源：《城市建设》2021年5月作者：管厚林

[导读] 热水散热器采暖设计中，就轴向型波纹管补偿器设置位置、回水干管上坡或下坡设置、立管与首层顶板下回水水平干管的连接方式均存在有不同的设计，且这些不同设计均有已通过施工图审查的案例；本文就这些不同设计方法进行探讨，提出自己的理解和建议性选择。本文还简单探讨了散热器大小为何要适当放大。

江苏南京中煤科工集团南京设计研究院有限公司管厚林 210031

摘要：热水散热器采暖设计中，就轴向型波纹管补偿器设置位置、回水干管上坡或下坡设置、立管与首层顶板下回水水平干管的连接方式均存在有不同的设计，且这些不同设计均有已通过施工图审查的案例；本文就这些不同设计方法进行探讨，提出自己的理解和建议性选择。本文还简单探讨了散热器大小为何要适当放大。仅供同行参考，不妥之处望不吝指正。
关键词：补偿器；坡向；首层顶板下回水干管；散热器大小
        0引言
        在热水散热器采暖设计中，某些方面有不同的设计方法，且设计成果均有通过施工图审查的案例；在下文中，笔者试作简单探讨。散热器大小一般适当放大，本文也通过简单定性分析和试算探讨其理由。
        1轴向型波纹管补偿器设置位置探讨
        在不同工程采暖施工图中，有分支管的热水采暖直管段上的轴向型波纹管补偿器的设置位置有两种(均已通过施工图审查)：设置在靠近该直管段一端的固定支架；设置在该直管段两固定支架之间中间位置。
        图集《金属管道补偿设计与选用》(14K206)第6.1条内容为：“轴向型波纹补偿器一般设置在靠近管段一端的固定支架附近，即L0≈4D，另一端应安设直线导向支架[1] ”。该条用词为“一般”，并未使用“应”，可以理解为需要时也可以不靠近固定支架设置。
        《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)第5.9.5条要求：“当供暖管道利用自然补偿不能满足要求时，应设置补偿器[2]”。该条的条文说明中有如下内容：“采用套筒补偿器或波纹管补偿器时，需设置导向支架”。该条的正文及条文说明未提及补偿器和固定支架的位置关系，但提出了采用波纹管补偿器需设置导向支架。
        GB50736-2012第5.9.5条的条文说明中另有如下内容：“水平干管或总立管固定支架的布置，要保证分支干管接点处的最大位移量不大于40mm；连接散热器的立管，要保证管道分支接点由管道伸缩引起的最大位移量不大于20mm”。
        对于上文，笔者理解为，固定支架和补偿器的设置，也要重视和限制支管接点处的位移量。如果两固定支架间的直管段长度较长且带较多分支管，笔者认为轴向型波纹补偿器设置在中间位置较为适宜，因为设置在中间时的分支节点处最大位移量要比靠近一侧固定支架设置时的为小(前者最小有可能只有后者的50%)；中间设置时，为保持波纹补偿器两侧管段的同轴，波纹补偿器的两侧应分别设置直线导向支架，见图1。当两固定支架间的直管段不带分支管时，可以按14K206的建议靠一侧固定支架设置补偿器。

        2采暖水平回水管坡向探讨
        GB50736-2012第5.9.6条要求：供暖系统水平管道的敷设应有一定的坡度，坡向应有利于排气和泄水。供回水支、干管的坡度宜采用0．003，不得小于0．002。
        《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB 50242-2002)第8．2．1条(强制性条文)要求：管道安装坡度，应符合下列规定：气、水同向流动的热水采暖管道，坡度应为3‰，不得小于2‰；气、水逆向流动的热水采暖管道，坡度不应小于5‰[3]。
        对不同规范进行对比分析。GB50736-2012实施日期在后，5.9.6条不是强制性条文；GB 50242-2002实施在前，8.2.1条为强制性条文。GB50736-2012要求水平管道坡度宜采用0.003，但没有区分气、水同向或气、水逆向不同情形；GB 50242-2002规定了气、水同向和气、水逆向不同情形下各自的最小坡度。对于气、水逆向流动的坡度要求，GB 50242-2002高于GB50736-2012。两个规范条文正文和条文说明都没有就利于泄水作具体要求或举例。
        对于上供下回(回水干管在系统最底部，比如地下室)垂直双管采暖系统，最下部的回水水平干管一般做法是沿水流的流动方向下坡敷设；气体要沿上坡方向靠密度差上升至最高点排放，但是因为要克服气体被向下流动的水流的裹挟的不利作用，气流上升就需要更大的坡度，要不小于0.005；沿水流的流动方向下坡(管径也越来越大)，有利于整个系统通过回水总管快速泄水。
        据笔者观察，有部分设计师不管采用的是何种系统，都一概采用回水水平干管沿水流的流动方向下坡。笔者不赞同此种设计习惯，回水水平管沿水流的流动方向，应根据具体情况优化选择采用下坡或上坡。
        比如下供下回垂直双管同程式热水采暖系统，供回水水平干管就宜都采用沿水流的流动方向上坡：供回水管中水流(裹挟可能的气体)均上坡方向流动，助力气体靠密度差上升，更利于排气；回水管最小坡度可以不采用0.005而采用0.003，更少占用安装高度；因为坡度方向一致，紧贴伴随安装的供回水管，在各处的标高均一致，更有利于安装；快速泄水可以使用供水总管。
       上供中回垂直双管同程系统，也可以把回水水平干管设计成沿水流的流动方向上坡：同样有利于排除该管中可能的气体，减少安装坡度以减小安装占用高度，回水总管同样可以快速泄掉上部系统的水。上供上回(一般不建议采用，单层建筑除外)垂直双管同程系统不通过水平干管快速泄水，回水水平干管也同样可以沿水流的流动方向上坡。如前文，供回水管同程且坡度方向一致，也有利于安装。
        另外，鉴于排气对采暖效果的重要性，建议采暖水系统中增设旁流的真空脱气机，通过其产生的真空将水系统中的游离气体和溶解气体释放出来，再通过自动排气阀排出系统。脱气后的水再注入系统，这些低含气量的水是不饱和水，对气体具有高度的吸收性，它将吸收系统中的气体以寻求气体平衡。如此循环，从而将系统中的所有气体脱除。
        3上供、一层顶板下回水的接管方式探讨
        当无地下室采用上供下回系统时，下部回水管一般会布置在一层顶板下；笔者常见到的立管连接水平管的形式为图2(a)，也见过图2(b)（经核实是已施工完成并运行的）。就这两种不同的连接方式，笔者做一些简单的定性分析。

图2 一层顶板下布置回水干管两种接法示意图
        图2(a)中，A~B点之间流经一层散热器的水环路长度比流经二、三层的长；图2(b)中，C~D点之间流经各层散热器的水环路同程；从是否同程看，图2(b)优于图2(a)。
        从供回水密度差引起的重力附加压差看，图2(a)中，三层散热器附加压差为gh(ρh-ρg)、二层为0、一层为-gh(ρh-ρg)；图2(b)中，三层散热器附加压差为2gh(ρh-ρg)、二层为gh(ρh-ρg)、一层为0；从各层散热器环路重力附加压差的相对差值看，图2(b)等同于图2(a)。公式中，g为重力加速度，h为层高，ρh为回水密度，ρg为供水密度。
        如图2，回水立管底部容易积存污物。如立管底部积存污物：图2(a)将引起一层散热器水环路阻力增加，导致流经一层散热器的流量减小；图2(b)将引起所有层散热器水环路阻力增加，不会因此引起该立管所带各层散热器的水力失调。
        综上，笔者认为从水力平衡性来看，图2(b)优于图2(a)。图2(b)，在一层多了一根上返立管，美观性不如图2(a)。
        4计算出的散热器大小需适当放大的探讨
文献[4]认为：“在计算出散热器大小后，再适当多加10%~20%，宁可热点，可别冷着。若安装温控阀，必须过热才可调控。散热量小了，温控阀是不起作用的，它不可能把温度调高。”笔者认同此观点。存在户间传热的情形，其散热器大小如何配置不在下文探讨范围内。
        从整个水系统动态调节的角度看，因为有温控阀起作用，各处流量会不断变化的，可能会发生某处散热器的供水量在某时小于所需供水量、而此时该散热器的温控阀开度已至最大的情形，此时如有设计时适当放大的散热面积，就可以弥补供水量的不足以保证所需的散热量。
        下文换一个角度进行分析。在进水温度、散热器片数、室温设定均不变的情况下，散热量大小仅取决于供水量大小。又因为散热器采暖仅靠自然对流散热和辐射散热，在维持室温不变的条件下，散热器片数配置的较小负偏差需要较大的流量来弥补，很难通过调节实现；散热器片数配置的适当放大对应减小的流量并不大，合适作为末端配置的安全设计。验证性举例计算见下文。
        如一个大开间办公室，正确计算的采暖热负荷为20kW，设计供回水温度80/60℃，室内设计温度20℃，采用铜铝复合柱翼型散热器，其进出口中心距600mm，单片散热面积0.484m2，传热系数K=1.4188△T^0.295W/（m2·K），经正确计算需要配置184片(本例仅简单定性对比用，未考虑组装片数修正、连接形式修正、安装修正)。假设负荷计算有误导致负荷算小了、或片数计算错误等，导致片数少配置了10%，即配置了166片，那么，若仍要求达到20℃室温，计算表明，回水温度就要求达到68.5℃，对应的流量与正确配置184片时的相比要增加74%，一般情况下，是不太可能通过温控阀调节实现的。如散热器片数放大配置了10%即配置了203片，那么，若仍设定室温为20℃，计算表明，回水温度为52.6℃，对应的流量与配置184片时的相比减少了27%，流量减小且减小量不多是容易通过温控阀调节实现的。
        综上，计算出的散热器大小需适当放大。
        与散热器相比，风机盘管一般按中档风速选型，在维持设定室温的前提下，如果换热器面积选小了，根据Q=KF△t，即使流量不增加(△t不变大)，也可以通过使用高档风量提高K值，从而能保证Q值不降低。公式中Q为风机盘管的制热量，K为换热器换热系数，△t为空气、水的平均换热温差。
        5结语
        若两固定支架间的热水直管段长度较长且带较多分支管，笔者认为轴向型波纹补偿器设置在两固定支架中间位置较为适宜，可以减小支管接点的最大位移量。
        采暖水平回水管沿水流的流动方向是下坡、还是上坡敷设，应根据具体情况优化选择；不建议习惯性采用下坡敷设。建议设计真空脱气机以更好地排除系统中的气体。
        采暖回水干管在首层顶板下敷设时，“回水立管经首层底部绕接至顶板下水平干管”的水力平衡优于“立管直接从顶板下接至干管”，前者在首层的美观性不如后者。
        通过简单的定性分析和举例计算，分析了(根据设计供回水温度、室内设计温度、采暖热负荷、散热器参数等)计算出的散热器大小为何需要适当放大。
参考文献
[1]金属管道补偿设计与选用（14K206）[S]
[2]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）[S]
[3]建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范（GB 50242-2002）[S]
[4]胡必俊编著. 新型供暖散热器的选用（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社，2008：15